超越離合器輔助換擋變速器的換擋控制研究

李罡 黃向東 楊勇 趙克剛

摘 要：提出一種僅用一個摩擦離合器實現(xiàn)無動力中斷換擋的新型自動變速器——超越離合器輔助換擋自動變速器.該變速器采用摩擦離合器與超越離合器交替?zhèn)鬟f動力的方式實現(xiàn)連續(xù)換擋.為研究該自動變速器的換擋平順性問題，搭建了兩個擋位的6自由度變速器動力學模型，提出了換擋過程中離合器和動力源的協(xié)調控制策略，開展了仿真和臺架試驗研究.結果表明：所提升擋和降擋控制策略能有效降低換擋沖擊，使得換擋時的沖擊度保持在10 m·s-3以內.

關鍵詞：離合器；輔助換擋；無動力中斷；自動變速器；換擋特性

中圖分類號：U463.212 文獻標志碼：A

Abstract： A novel type of automatic transmission named Overrunning Clutch Shiftassistant Transmission （OCT） was designed in the paper， which realized the shifts by the alternative work of friction clutch and Overrunning Clutch. Dynamic model of a 2speed OCT was built to discuss the driveline vibration during shifts. Control strategy of the friction clutch and power source was presented in this paper， which was also verified by both simulation and test results. The results also show that the control strategy can make both upshift and downshift smooth， and jerk of the shifts is below 10 m·s-3.

Key words：clutches； shiftassistant； traction uninterruption； automatic transmission； shift characteristic

實踐證明，變速器在換擋時不產生動力中斷是提高整車動力性及舒適性的重要手段.有級式自動變速器實現(xiàn)無動力中斷換擋有以下方式：

1）兩個摩擦離合器交替工作.AT與DCT均采用這種換擋方式，其中DCT換擋過程中采用了預掛擋控制[1-2].研究表明，這種換擋方式對兩個離合器的配合及同步器的控制提出了較高要求，控制不當可能產生功率循環(huán)或換擋沖擊等問題[3-5].

2）兩個超越離合器交替工作.英國Zeroshift公司的AMT改進方案[6-7]、黃向東等人[8]提出的UST方案均采用了這種換擋方式.研究表明[9]，這種換擋方式雖然換擋更為直接，但需主離合器傳遞轉矩下降較多才能有效避免換擋沖擊.

3）摩擦離合器與超越離合器交替工作.這種換擋方式最早應用在AT中，2011年，Aldo等人[10]提出了采用這種換擋方式的電動車用兩擋變速器方案，該變速器能夠實現(xiàn)擋位迅速且無動力中斷的切換，換擋沖擊亦能夠控制在合理范圍內.但由于結構原因，該方案并不具備向多擋位變速器擴展的可能.

4）AMT增加動力補償裝置.Yamasaki等[11]在AMT輸入軸末端增設轉矩輔助裝置，但該裝置增加了變速器結構和控制的復雜程度，從經濟效益的角度考慮，這種方案并不是一種合適的技術.

本文提出了一種采用摩擦離合器與超越離合器交替工作的自動變速器方案，具有多擋位、有級式、無動力中斷換擋的特點.文中闡述了該類型變速器的工作原理，構建了整車動力學模型，分析了該類變速器的換擋機理，并進行了仿真及臺架試驗研究.

1 工作原理

超越離合器輔助換擋自動變速器（Overrunning Clutch Shiftassistant Transmission，OCT）利用超越離合器的自動分離與接合特性，實現(xiàn)動力換擋.OCT采用超越離合器與摩擦離合器并聯(lián)的布置方式，將來自發(fā)動機的動力分為幾個支路，通過不同動力支路間的切換完成換擋.OCT具有多種拓撲結構，其中一種簡單的形式包含一個超越離合器（Overrunning Clutch， ORC）和一個濕式離合器（Wetfriction Clutch， WFC）.動力由兩個支路分別或共同傳遞到輸出軸，如圖1所示.

圖1中，濕式離合器與動盤連接的軸稱為主動力輸入軸（WFC軸），其上布置5個前進擋及一個倒擋的主動齒輪.超越離合器內圈所連接的軸稱為輔助換擋輸入軸（ORC軸），其上布置4個前進擋的主動齒輪.設計時，保證1′、2′、3′、4′四個主動齒輪與1、2、3、4四個主動齒輪齒數(shù)對應相同，即保證輔助換擋支路的各擋速比與主動力支路的各擋速比對應相等.

OCT的工作原理以N→1→2→3→2→N的工作過程說明.

1）起步工況.OCT起步與手動變速器類似，起步時，1擋同步器先接合，利用濕式離合器接合過程的滑動摩擦，實現(xiàn)汽車起步.

2）1→2升擋工況.OCT換擋過程需首先進行換擋準備操作，其中包含1到1′擋切換及2擋預掛擋兩個步驟.接合1′擋同步器，之后分離WFC，即實現(xiàn)1到1′擋的動力切換.由于1′擋速比與1擋速比相等，且在接合1′擋同步器時可伴隨WFC滑摩，所以動力由1擋切換至1′擋易實現(xiàn).2擋預掛擋需完成的操作為接合2擋同步器.完成以上換擋準備工作后，緩慢接合WFC，此時OCT進入升擋工作過程，如圖2所示.升擋過程中，動力由1′擋和2擋兩個支路共同傳遞，由于兩個擋位的主動齒輪與輸出軸對應齒輪均為同向嚙合，因此1′擋和2擋兩個支路傳遞的動力互為正向推力.隨著WFC接合程度加強，2擋支路傳遞的動力會不斷增加，當WFC接合到一定程度時，1′擋所受正向作用力導致ORC內圈轉速超過外圈轉速，ORC將進入超越工況，1′擋終止傳輸動力，動力僅由2擋傳遞，擋位切換完成.待動力全部由2擋傳遞后，分離1′擋同步器，升擋過程結束.

3）2→3升擋工況.與1→2升擋工作原理相同，2擋升3擋將同樣經歷換擋準備、換擋兩個階段，由此說明OCT具有連續(xù)升擋的功能.

4）3→2降擋工況.OCT降擋操作與升擋相反，即首先完成3到2′擋的動力切換，然后再進行2′至2擋的動力切換.具體操作為：在3擋工作時接合2′擋同步器，之后緩慢分離WFC，逐漸降低輸出軸轉速.當WFC分離到一定程度后，ORC進入鎖止工況，2′擋開始參與動力傳遞.繼續(xù)分離WFC，直至其完全分離，擋位切換到2′擋.2′擋至2擋的動力切換過程易實現(xiàn)，在此不贅述.

5）空擋及停車工況.OCT掛空擋及停車的工作過程與MT相類似.如當前擋位為2擋，此時迅速分離WFC，之后退出2擋同步器，即完成了掛空擋的操作.

根據(jù)以上陳述，OCT能夠實現(xiàn)汽車變速器的全部功能，且在換擋時不產生動力中斷.

2 動力學模型

針對OCT傳動系統(tǒng)特點，忽略變速器內部的阻尼及齒輪嚙合剛度的影響，建立一個6自由度的兩擋傳動系動力學模型，如圖3所示.

2.1 升擋階段動力學模型

2.1.1 換擋準備階段

如第1節(jié)所述，換擋準備階段需進行1擋到1′擋切換及2擋預掛擋兩個操作.其中，1擋到1′擋切換操作結束后，將迅速分離WFC.此時，系統(tǒng)動力僅由ORC軸傳遞，即當前擋位為1′擋，傳動系統(tǒng)動力學方程為：

3 OCT換擋過程的仿真及試驗

3.1 換擋過程的控制策略

OCT升擋將經歷換擋準備、濕式離合器充油、低擋同步器脫開等變速器控制階段，同時配合發(fā)動機轉矩控制.OCT降擋將經歷換擋準備、濕式離合器泄壓、高擋同步器脫開等變速器控制階段，同時配合發(fā)動機轉速控制.圖4為OCT換擋控制策略.

由圖4可看出，換擋過程中，重點在于超越離合器分離點及接合點附近對濕式離合器及發(fā)動機的聯(lián)合控制，需要形成閉環(huán)反饋.

3.2 濕式離合器油壓控制規(guī)律

圖5中，P1為預充油階段達到的最大壓力，預充油結束于t2時刻.t2至t3階段內，油壓從P1回調至P2，這是由于在這個階段的末尾（即t3時刻），濕式離合器驅動活塞將與離合器鋼片相接觸，降低接合速度有助于減小兩個元件接觸時的沖擊.從活塞推動鋼片時刻開始，濕式離合器將經歷粘性轉矩到粗糙轉矩的過渡階段.這個階段中濕式離合器傳遞轉矩的斜率將發(fā)生變化，為避免傳動系產生沖擊，t3至t4時間段內，離合器控制油壓應緩慢增大.當濕式離合器進入粗糙轉矩傳遞階段后，油壓的斜率增大，離合器快速接合，直至完全接合后，離合器油壓不再增大，保持為P4壓力.

濕式離合器分離過程中，泄壓分為四個階段，分別為靜摩擦泄壓、滑動摩擦泄壓、油壓回調和快速泄壓，如圖6所示.

圖6中，P4為濕式離合器保壓壓力（與充油過程相同），當降擋指令發(fā)出后，濕式離合器開始泄壓，油壓從t1時刻開始下降.在t1至t2時間段內，濕式離合器處于完全接合狀態(tài)，摩擦片與鋼片之間的摩擦力為靜摩擦力，以較大斜率減小離合器的壓力，會迅速降低靜摩擦力，使離合器盡快進入滑摩狀態(tài).當油壓下降至P5后，離合器開始進入滑動摩擦階段，在摩擦力靜動轉化過程中，由于傳遞轉矩受離合器摩擦力影響會產生波動，因此在t2至t3階段，改變油壓降低的斜率，以降低此時的傳動系轉矩沖擊.

隨著濕式離合器分離程度加大，其傳遞轉矩會進一步降低，此時超越離合器即將開始接合.由第4章研究結論可知，如果此時濕式離合器分離過快，會使得超越離合器內外圈轉速差過大，導致超越離合器接合時轉矩差的變化斜率過大，進而導致?lián)Q擋沖擊變大.因此t3至t4段內，油壓需回調，確保超越離合器接合時的轉速差較小.t4之后，快速泄壓至濕式離合器完全分離.

4 仿真研究

對圖3所示的動力學模型進行仿真研究，搭建傳動系統(tǒng)動力學仿真模型，其中所采用的主要參數(shù)如表2所示.

圖7所示為1擋至2擋升擋過程的仿真結果.圖7中，OCT換擋開始于3 s，此時濕式離合器分離，變速器工作于1′擋.4 s時濕式離合器開始接合，此時2擋同步器已接合，變速器進入換擋轉矩相.OCT換擋結束于5 s，此時輸出軸轉矩波動結束，1′擋同步器退出接合.圖7和圖8中，同步器狀態(tài)0代表同步器未接合，1代表同步器接合.

圖7中包含了濕式離合器接合與超越離合器自動分離的工作過程.仿真中，對濕式離合器油壓采用了恒定變化率的控制方式，WFC轉矩變化為先增大，至過沖最大值，再減小，振蕩后達到穩(wěn)定.研究發(fā)現(xiàn)，轉矩過沖量大小取決于系統(tǒng)固有特性及WFC傳遞轉矩的限定值，其中，WFC轉矩的限定值越小，轉矩過沖就越小，為使傳動系轉矩波動盡可能小，需要減小濕式離合器的最大轉矩值，但從實際情況出發(fā)，濕式離合器又需要具有一定的轉矩儲備系數(shù).因此，對輸入轉矩的分析又可作為設計濕式離合器結構參數(shù)的一種方法.文中設計的離合器摩擦片內徑為145 mm，外徑為171 mm，共5片.

圖7中也包含了對發(fā)動機轉矩的控制，為保證換擋品質，發(fā)動機在4.3 s時開始降低轉矩（慣性相開始），以適應換擋過程中的轉矩變化.

圖7中超越離合器在分離后（4.3 s）轉速會繼續(xù)上升，至1′擋同步器脫開時（5 s），其轉速又會迅速下降.在ORC軸轉速上升過程中，其內外圈轉速差不斷增大，圖中可以看到5 s時內外圈轉速差為2 287 r/min，由此可以看到，為降低超越離合器的內外圈轉速差，在其自動超越后，需要盡快脫開低擋同步器.

圖7顯示，換擋時OCT輸出轉矩呈先下降，后過沖，再振蕩穩(wěn)定的特點，轉矩下降過程較短（0.2 s），轉矩值下降不大（400 N·m），這是由超越離合器自動分離迅速所決定的.

2擋至1擋降擋過程的仿真結果如圖8所示.與升擋過程相類似，圖8中包含了各主要控制信號及輸入、輸出的轉速和轉矩變化曲線.

圖8中，OCT換擋開始于10.3 s，此時濕式離合器油壓開始降低，變速器仍工作在2擋.隨著濕式離合器油壓降低，其所傳遞的轉矩在10.6 s開始降低.超越離合器在11 s時開始接合，換擋結束于11.4 s，此時輸出軸轉矩波動結束.

圖8中包含了濕式離合器分離與超越離合器自動接合的工作過程，仿真中，對濕式離合器的泄壓過程進行控制，其中包括快速泄壓（10.3 s至10.6 s）、緩慢泄壓（10.6 s至11.05 s）、補償增壓（11.05 s至11.1 s）和完全泄壓（11.1 s至12 s）.在離合器分離控制中采用了補償增壓方法是由于此時超越離合器剛性接合，如果繼續(xù)泄壓會導致傳動系沖擊，此時濕式離合器稍作接合并傳遞轉矩會有效降低輸出軸的轉矩過沖.補償增壓的控制過程如圖9所示.

5 臺架試驗結果

針對以上對于OCT原理模型的研究，本文搭建了具備升擋和降擋功能的兩擋OCT臺架，兩個擋位的速比分別為1.13和0.78，試驗臺架工作原理如圖10所示.

試驗結果如圖11所示，圖中包含了升擋與降擋時輸入軸的轉速以及輸出軸的轉矩.

由圖11可以看出，變速器輸出轉矩在換擋時呈現(xiàn)下降→過沖→振蕩穩(wěn)定的變化趨勢.

升擋與降擋控制試驗有效保證了傳動系換擋平順性，這與仿真計算結果趨勢一致，說明仿真計算與試驗結果趨勢吻合，換擋控制策略有效.

6 結 論

通過本文對于超越離合器輔助換擋變速器的研究，得到以下結論：

1）OCT能夠實現(xiàn)連續(xù)的無動力中斷換擋，具備開發(fā)成為更多擋位自動變速器的基礎.

2）OCT換擋時受超越離合器自動分離與接合特性影響，會產生一定的沖擊.

3）輸入轉矩與離合器的協(xié)調控制策略可有效降低換擋過程的沖擊.

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